ISD4004-16M語音芯片的循環錄放電路設計

摘要：針對ISD語音芯片的特點，設計一種由單片機控制，能夠循環錄放的語音電路，可作為錄音機，復讀機、音頻記錄儀使用，既節省存儲空間，又降低成本，具有較高的實用價值。

    關鍵詞：ISD4004 語音 循環錄放

目前，市場上的固體錄音機及各種錄音筆，大多采用的是順序錄音，不具備循環錄音功能，一旦存儲器錄滿，必須重新操作才行。本文設計一種能夠循環錄放的語音電路，即可解決上述問題。

1 器件功能介紹

ISD系列語音芯片是美國ISD公司推出的產品。該系列語音芯片采用多電平直接接模擬存儲（Chip Corder）專利技術，聲音不需要A/D轉換和壓縮，每個采樣值直接存儲在片內的閃爍存儲器中，沒有A/D轉換誤差，因此能夠真實、自然地再現語音、音樂及效果聲。避免了一般固體錄音電路量化和壓縮造成的量化噪聲和金屬聲。

圖1

    ISD4004語音芯片采用CMOS技術，內含晶體振蕩器、防混疊濾波器、平滑濾波器、自動靜噪、音頻功率放大器及高密度多電平閃爍存儲陣列等（見圖1），因此只需很少的外圍器件就可構成一個完整的聲音錄放系統。芯片設計是基于所有操作由微控制器控制，操作命令通過串行通信接口（SPI或Microwire）送入。采樣頻率可為4.0Hz、5.3Hz、6.4Hz、8.0kHz，頻率越低，錄放時間越長，而音質則有所下降。片內信息存于內爍存儲器中，可在斷電情況下保存100年（典型值）反復錄音10萬次。器件工作電壓3V，工作電流25～30mA，維持電流1μA?單片錄放語音時間8～16min，音質好，適用于移動電話機及其它便攜式電子產品中。

1.1 引腳描述

ISD4004系列芯片引腳圖如圖2所示。

圖2

    同相模擬輸入（ANA IN+）-這是錄音信號的同相輸入端，輸入放大器可用單端或差分驅動。單端輸入時，信號由耦合電容輸入，最大幅度為峰峰值32mV，耦合電容和本端的3kΩ輸入阻抗決定了芯片頻率的低端截止頻率。在差分驅動時，信號最大幅度為峰峰值16mV。

反相模擬輸入（ANA IN-）-差分驅動時，這是錄音信號的反相輸入端。信號通過耦合電容輸入，最大幅度為峰峰值16mV，本端的標稱輸入阻抗為56kΩ,單端驅動時，本端通過電容接地。兩種方式下，ANA IN+和ANA IN-端的耦合電容值應用相同。

音頻輸出（AUD OUT）-提供音頻輸出，可驅動5kΩ的負載。

片選（SS）-此端為低，即選中ISD4004系列。

串行輸入（MOSI）-此為單行輸入端，主控制器應在串行時鐘上升沿之前半個周期將數據放到本端，供ISD輸入。

圖3

    串行輸出（MISO）ISD-串行輸出端，ISD未選中時，本端呈高阻態。

串行時鐘（SCLK）-ISD的時鐘輸入端，由于控制器產生，用于同步MOSI和MISO的數據傳輸。數據在SCLK上升沿鎖存到ISD，在下降沿移出ISD。

中斷（INT）-本端為漏極開路輸出，ISD在任何操作（包括快進）中檢測到EOM或OVF時，本端變低并保持，中斷狀態在下一個SPI周期開始清除，中斷狀態也可用RITN指令讀取。

行地址時鐘（RAC）-漏極開始輸出。生個RAC周期表示ISD存儲器的操作進行了一行（ISD4004系列中的存儲器有2400行）。8kHz采樣頻率的器件，RAC周期為200ms，其中175ms保持高電平，低電平為25ms。快進模式下，RAC為218.75μs高電平，31.25μs為低電平，該端可用于存儲管理技術。

外部時鐘（XCLK）-本端有內部下拉元件，芯片內部的采樣時鐘在出廠前已調校，誤差在+1%內，在不外接時鐘時，此端必須接地。

自動靜噪（AM CAP）-1μF電容構成內部峰值檢測電路的一部分，檢測出的峰值電平與內部設定的閾值作比較，決定自動靜噪電路的工作與否。大信號時自動靜噪電路不衰減，靜音時衰減6dB。同時，1μF電容也影響自動靜噪電路時信號幅度的響應速度，本端接VCCA則禁止自動靜噪。

    1.2 串行外部接口（SPI）

ISD4004工作于SPI串行接口。SPI協議是一個同步串行數據傳輸協議，協議假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿動作。因此，對ISD4004而言，在時鐘上升沿鎖存MOSI引腳數據，在下降沿將數據送至MISO引腳。協議具體內容如下。

①所有串行數據傳輸開始于SS下降沿。

②SS在傳輸期間必須保持為低電平，在兩條指令之間保持為高電平。

③數據在時鐘上升沿移入，在下降沿移出。

④SS變低，輸入指令和地址后，ISD行才開始錄放保持。

⑤指令格式是8位控制碼加16位地址碼。

圖5

    ⑥ISD的任何操作（含快進）如果遇到EOM或OVF，則產生一個中斷，該中斷狀態在下一個SPI周期開始時被清除。

⑦使用“讀”指令會使中斷狀態位移出ISD的MISO引腳時，控制及地址數據也同步從MOSI端移入。

⑧所有操作在運行位（RUN）置1時開始，置0時結束。

    ⑨所有指令都在SS端上升沿開始執行。

    OVF標志指示ISD錄放操作已到達存儲器的末尾。EOM標志只有放音過程中檢測到內部的EOM標志時，此狀態位置1，如圖3所示。

以下列舉了幾種對ISD器件進行操作進的批令次序。

圖6

    *信息快進。用戶不必知道確切的地址，就能快地跳過一條信息。信息快進只用于放音模式。放音速度是正常的1600倍，遇到EOM后停止，內部地址計數器加1，并接下條信息開始處。

*上電順序。器件延時TPUD（8kHz）采樣時，約25ms后才能開始操作。因此，用戶發完上電指令后，必須等待TPUD，才能發出一條操作指令。例如從00處放音，應遵循如下時序：發power up命令；等待TPUD（上電延時）；發地址值為00的SETPLAY命令；發PLAY命令。器件會從00地址開始放音，當出現EOM時，立即中斷，停止放音。如果從00處錄音，則按以下時序：發power up命令；等待TPUD（上電延時）；發power up命令；等待2倍TPUD；發地址值為00的SETREC命令；發REC命令。器件便從00地址開始錄音，一直到出現OVF（存儲器末尾），錄音停止。

1.3 時序

8位及24位命令格式如圖4和圖5所示。

錄音、放音、停止時序如圖6所示。

圖7

2 循環錄放電路的設計

該電路采用AT89C51單片機，通過操作5個微型按扭開關和一個微動開關實現功能轉換，操作命令由串行通信接口（SPI）送入。電路即可工作在順序模式，又可工作在循環模式。當工作在循環模式。當工作在循環模式的錄音狀態時，ISD芯片將始 終記錄最后16min的語音信息，直至按下停止鍵。

2.1 硬件電路設計

電路原理圖如圖7所示，整個電路由單片機控制顯示電路、ISD4004語音錄放電路、話筒輸入電路、音頻功率放大電路幾部分構成。ISD4004的片選信號SS由控制器P2.0提供。單片機AT89C51的串行口工作于同步移位寄存器方式，同步移位脈沖由TXD（P3.1）輸出至ISD4004的串行時鐘輸入端SCLK，數據由RXD（P3.0）輸入輸出。因AT89C51單片機不具備（SPI）接口，故這里通過三態門將RXD（P3.0）數據線復用。對單片機而言，發射時作為輸出，接至ISD4004的串行輸入端（MOSI）；接收時作為輸入，接至ISD4004的串行輸出端（MISO）。電路中拔動開關Ks用于選擇啟用或取消循環錄音功能。

2.2 軟件設計

整個程序包括主程序和中斷子程序兩部分。AT89C51單片機提供了用戶鍵盤、顯示和ISD4004所需接口。它接收擊鍵功作，并將相應指令傳給ISD4004，同時監控ISD4004的中斷輸出。當開關KS閉合（KS=1）時，讀取ISD4004的狀態寄存器，從而根據OVF和EOM的狀態進行相應的處理。當OVF=1，即存儲器溢出時，則不管當前為何種狀態均將ISD4004的地址置零，并繼續運行原指令；當EOM=1時，當前狀態只可能為放音或快進，若為快進則置為放音態，并繼續運行。如此設計便實現了循環錄放的功能，同時在快進時，自動停止在下一個語音段開始處，并繼續放音。

中斷程序流程圖如圖8所示。

3 總體性能與功能擴展

該電路正常工作時功耗為200mW，音量增大時功耗有所增加。整個電路工作穩定、可靠，輸出的聲音清晰，音色優美，主觀上聽不到循環模式下將ISD地址置零所產生的間斷音。系統最大錄放時間為16min，如需增加錄放時間，只需增加ISD4004芯片數量，通過片選即可實現。例如，采用4片ISD4004，就能達到近一個小時的錄音長度。